田劍舟

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司曙光煤礦，山西 孝義032300）

1 工程概況

山西汾西礦業(yè)有限責(zé)任公司曙光煤礦主要位于山西省中部孝義市，現(xiàn)礦井生產(chǎn)能力90萬(wàn)t/a，開采2#煤層，平均厚度為2.85m，煤層傾角2°～6°，2#煤層偽頂厚約0.2m，巖性為黑灰色泥巖，局部發(fā)育，隨采隨落；直接頂為厚約3.2m的砂質(zhì)泥巖，直接底為厚約2.7m的中粒砂巖，頂?shù)装鍘r性特征詳見表1。1232運(yùn)巷對(duì)應(yīng)地表標(biāo)高在+927m～+1054m之間，1對(duì)應(yīng)地表位置大部分為第三、第四系黃土覆蓋，溝谷發(fā)育；1232運(yùn)輸巷井下位于一采區(qū)西翼，北部為尚未掘進(jìn)的1234材料巷，南部為尚未掘進(jìn)的1232材料巷，東鄰一采區(qū)集中軌道巷，西至井田邊界。1232運(yùn)巷在山西組2#煤層中掘進(jìn)，煤層標(biāo)高在+442m～+504m之間，1232運(yùn)巷在山西組2#煤層中掘進(jìn)，上部為不可采的1#煤層下部為局部可采的3#煤層。曙光煤礦現(xiàn)階段面臨嚴(yán)重的采掘接替緊張的問題，為提高巷道利用率和采區(qū)回采率，設(shè)計(jì)在1232運(yùn)巷采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，為取得較好的應(yīng)用效果展開相關(guān)研究。

表1 頂?shù)装鍘r性特征

2 1232運(yùn)巷切頂留巷關(guān)鍵參數(shù)研究

切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開采工藝是在傳統(tǒng)留巷工藝基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)頂板施工預(yù)裂爆破鉆孔，使頂板在工作面回采期間及時(shí)垮落，垮落的頂板在留巷采空區(qū)側(cè)形成幫部，上覆巖層垮落快速充填采空區(qū)，冒落堆積的矸石起到支撐作用，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，減小采空區(qū)頂板對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，有效保證巷道穩(wěn)定。切頂卸壓技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)為切頂高度、角度[1]，為確保1232運(yùn)巷的切頂效果首先展開合理參數(shù)的研究。

2.1 切頂高度分析

為確保采空區(qū)垮落巖層能夠基本將采空區(qū)充填，參考類似地質(zhì)條件下切頂留巷成功的案例，切頂垂直高度應(yīng)不小于工作面采高的2.6倍，曙光煤礦1232工作面采高約為2.85m，故切頂高度應(yīng)大于7.41m，具體的預(yù)裂切縫鉆孔深度可由下式計(jì)算[2]：

式中：H縫為預(yù)裂鉆孔垂直高度，m；H煤為工作面采高，m；ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底板底臌量，m；k為上覆巖層碎脹系數(shù)，1.3～1.4。

曙光煤礦1232工作面上覆巖層碎脹系數(shù)取1.3，工作面回采前1232運(yùn)巷頂板下沉量約200mm，底板底鼓量約100mm，工作面采高為2.85m，由式（1）計(jì)算可得H縫=8.5m，因此確定預(yù)裂切縫鉆孔垂直高度為9.0m。

2.2 切頂參數(shù)模擬研究

為驗(yàn)證預(yù)裂切縫鉆孔垂直高度為9.0m的合理性，確定合理的鉆孔布置方式，基于曙光煤礦1232運(yùn)巷工程地質(zhì)條件及各巖層實(shí)驗(yàn)室物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用UDEC離散元數(shù)值模擬軟件建立模型[3]，對(duì)不同切頂方案和支護(hù)方案模擬分析，模型沿工作面推進(jìn)方向的切面建立，寬度為200m（工作面長(zhǎng)度方向），高度60m（垂直方向），1232運(yùn)巷寬度為5.5m，高度為2.8m，1232工作面采空區(qū)高度為2.85m，長(zhǎng)度為150m，模型左右邊界施加水分方向的位移約束，下部邊界施加垂直方向的位移約束，上部邊界施加應(yīng)力約束，工作面平均埋深約450m，施加垂直應(yīng)力為10.8MPa，具體模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型示意圖

參考類似地質(zhì)條件下切頂留巷技術(shù)成功應(yīng)用的實(shí)例，初步設(shè)計(jì)切頂預(yù)裂鉆孔與垂直方向的角度分別為0°、15°、30°，切頂高度為9m，模擬方案：模型平衡后得到初始地應(yīng)力場(chǎng)→1232運(yùn)巷開挖支護(hù)→切頂→1232工作面開采。切頂預(yù)裂鉆孔不同布置角度條件下，巖層運(yùn)移垮落狀態(tài)模擬結(jié)果如圖2所示。

由圖2所示結(jié)果可以看出，切頂高度9m條件下，切頂角度在0～30°之間，工作面回采后上覆巖層垮落后均基本將采空區(qū)充填，驗(yàn)證切頂高度為9m的合理性。切頂線沿垂直方向的條件下，沿空巷道頂板下沉量達(dá)到1100mm，表明采空區(qū)的矸石未能有效的支撐沿空巷道頂板短懸臂結(jié)構(gòu)，頂板受到很大的垂直地應(yīng)力作用，巷道圍巖穩(wěn)定性較差。切頂線與垂直方向15°條件下，采空區(qū)矸石碎脹作用下有效支撐頂板，切落的巖石對(duì)沿空巷道頂板起到斜撐作用，頂板下沉量?jī)H為220mm，巷道圍巖穩(wěn)定，切頂效果良好。切頂線與垂直方向增大為30°條件下，頂板下沉量增大為510mm，由于沿空巷道頂板短壁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度增大，且切落的巖層未起到良好的支撐作用，導(dǎo)致頂板下沉量增大，不利于整體巷道圍巖的穩(wěn)定性控制。綜上可知，切頂角度為15°較合理。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果

3 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)值模擬研究

采用UDEC進(jìn)行不同支護(hù)參數(shù)下的數(shù)值模擬研究，類比相似地質(zhì)條件下切頂留巷的支護(hù)方案[4]，設(shè)計(jì)1232運(yùn)巷采用以下方案進(jìn)行支護(hù)：①方案一，直徑20mm、長(zhǎng)度2.4m的螺紋鋼錨桿，每孔采用3卷K2335樹脂藥卷，間排距為900mm，頂板每排5根，兩幫每幫各3根，頂板錨桿錨固力不低于100kN，幫部錨桿錨固力不低于50kN，安裝預(yù)緊力距不小于200N?m。頂板布置直徑21.8mm、長(zhǎng)度8.0m的鋼絞線錨索，每孔采用3卷K2850樹脂藥卷進(jìn)行錨固，錨固力不小于250kN，預(yù)應(yīng)力不小于120kN，沿巷道軸向通過(guò)W型鋼帶聯(lián)結(jié)，鋼帶長(zhǎng)5.4m，錨索間排距2000×2400mm。切頂留巷期間，在巷道靠近回采幫頂板布置規(guī)格為φ21.8mm×L8000mm的恒阻長(zhǎng)錨索，恒阻器直徑65mm，長(zhǎng)度500mm，恒阻值35t，排距為1800mm，恒阻錨索間沿軸向同樣通過(guò)W型鋼帶聯(lián)結(jié)。②方案二，巷道掘進(jìn)期間頂板錨索布置在巷道中心線處，每排一根，排距1800mm，相較方案一較少了一根非回采側(cè)頂板錨索；③方案三，在方案二的基礎(chǔ)上減小錨索長(zhǎng)度，將錨索長(zhǎng)度改為6.0m；④方案四，將頂板錨索長(zhǎng)度改為7.0m。在不同支護(hù)方案條件下，進(jìn)行工作面開挖模擬，模擬結(jié)果表明差別最大的為沿空巷道頂板最大下沉量，統(tǒng)計(jì)頂板最大下沉量的模擬結(jié)果詳見圖3。

圖3 各支護(hù)方案頂板下沉量模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖4 1232運(yùn)巷切縫鉆孔布置及加強(qiáng)支護(hù)展開圖

根據(jù)圖3所示的結(jié)果可知，方案一條件下，頂板下沉量最小，支護(hù)效果良好，方案二相對(duì)于方案一減少頂板錨索的數(shù)量，頂板下沉量增大了10mm，圍巖穩(wěn)定性較好，而方案三、四條件下頂板下沉量增大更為明顯，因此綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)等因素，選擇方案二作為1232運(yùn)巷的支護(hù)方案。1232運(yùn)巷留巷切頂及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)詳情如圖4所示，切頂鉆孔直徑為46mm，垂直高度為9.0m，布置間距為900mm，超前工作面20m進(jìn)行預(yù)裂爆破；超前工作面50m施工恒阻長(zhǎng)錨索，在工作面前方30m和后方100m采用單體柱+π形梁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

4 應(yīng)用效果監(jiān)測(cè)

采用十字交叉法觀測(cè)巷道表面位移，整理得到圖5所示的結(jié)果。圖5（a）所示結(jié)果為巷道寬度在工作面回采前后的變化，1232運(yùn)巷切頂留巷期間，大部分巷段兩幫移近量小于200mm，個(gè)別巷段兩幫移近量達(dá)到400mm左右；圖5（b）所示結(jié)果為巷道高度在工作面回采前后的變化，1232運(yùn)巷切頂留巷前后，多數(shù)巷段頂板下沉量保持在200mm以下，局部達(dá)到400mm以上；綜上可知，1232運(yùn)巷留巷期間圍巖穩(wěn)定性良好，表面位移量較小且在合理范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的返修即可服務(wù)于下個(gè)工作面。

5 主要結(jié)論和建議

為保證切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開采技術(shù)在曙光煤礦1232運(yùn)巷的成功應(yīng)用，通過(guò)理論計(jì)算確定切縫線合理垂直高度為9m，采用Udec數(shù)值軟件研究表明，切縫線與豎直方向呈15°夾角偏向采空區(qū)時(shí)，切頂效果最佳，依據(jù)1232運(yùn)巷具體地質(zhì)條件設(shè)計(jì)其留巷支護(hù)方案，并模擬分析優(yōu)選出最佳方案，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，留巷期間，大多數(shù)區(qū)域巷道頂板下沉量和兩幫移近量均小于200mm，圍巖整體穩(wěn)定，支護(hù)效果顯著，研究成果可為類似地質(zhì)條件下切頂卸壓留巷技術(shù)的應(yīng)用提供借鑒。